第7章電壓測量-3

第7章．電壓測量7.1電壓測量概述

7.2模擬式直流電壓表

7.3交流電壓的表征和測量方法7.4低頻交流電壓測量7.5高頻交流電壓測量7.6脈沖電壓測量7.7電壓的數(shù)字式測量7．3交流電壓的表征和測量方法

7．3．1表征交流電壓的基本參量函數(shù)關(guān)系式:表達(dá)大小隨時(shí)間的變化規(guī)律。峰值、幅值、平均值、有效值、波峰因數(shù)和波形因數(shù)。1、峰值以零電平為參考的最大電壓幅值（用Vp表示）。注：以直流分量為參考的最大電壓幅值則稱為振幅，（通常用Um表示）。7．3．1表征交流電壓的基本參量2、平均值（均值）數(shù)學(xué)上定義為：相當(dāng)于交流電壓u(t)的直流分量。交流電壓測量中，平均值通常指經(jīng)過全波或半波整流后的波形（一般若無特指，均為全波整流）：對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T7．3．1表征交流電壓的基本參量3、有效值定義：交流電壓u(t)在一個(gè)周期T內(nèi)，通過某純電阻負(fù)載R所產(chǎn)生的熱量，與一個(gè)直流電壓V在同一負(fù)載上產(chǎn)生的熱量相等時(shí)，則該直流電壓V的數(shù)值就表示了交流電壓u(t)的有效值。表達(dá)式： 直流電壓V在T內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的熱量Q_=I2RT= 交流電壓u(t)在T內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的熱量Q~= 由Q_=Q~得， 有效值7．3．1表征交流電壓的基本參量3、有效值意義：有效值在數(shù)學(xué)上即為均方根值。有效值反映了交流電壓的功率，是表征交流電壓的重要參量。對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T波峰因數(shù)和波形因數(shù)波峰因數(shù)定義：峰值與有效值的比值，用Kp表示，7．3．1表征交流電壓的基本參量4、波峰因數(shù)和波形因數(shù)對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T波形因數(shù)定義：有效值與平均值的比值，用KF表示，對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T7．3．1表征交流電壓的基本參量4、波峰因數(shù)和波形因數(shù)常見波形的波峰因數(shù)和波形因數(shù)可查表得到： 如正弦波：Kp=1.41，KF=1.11； 方波：Kp=1， KF=1； 三角波：Kp=1.73，KF=1.15； 鋸齒波：Kp=1.73，KF=1.15； 脈沖波：Kp=，KF=，為脈沖寬度，T為周期

白噪聲：Kp=3（較大），KF=1.25。4、波峰因數(shù)和波形因數(shù)4、波峰因數(shù)和波形因數(shù)7．3．2交流電壓的測量方法1、模擬電壓表組成方案檢波器是實(shí)現(xiàn)交流電壓測量（AC-DC變換）的核心部件，同時(shí)，為了測量小信號電壓，放大器也是電壓表中不可缺少的部件，因此，組成方案有兩種類型： 一種是先檢波后放大，稱為檢波-放大式； 一種是先放大后檢波，稱為放大-檢波式。平均值檢波法、峰值檢波法、有效值檢波法熱電變換法模擬電壓表的兩個(gè)重要指標(biāo)：帶寬和靈敏度(分辨力)。2、模擬交流電壓表的主要類型1）檢波-放大式電壓表組成框圖1）檢波-放大式電壓表a.組成框圖;b.提高靈敏度措施檢波器決定電壓表的頻率范圍、輸入阻抗和分辨力。

峰值電壓表常用這種類型。1）檢波-放大式電壓表檢波器為提高頻率范圍，采用超高頻二極管檢波，其頻率范圍可從直流到幾百兆赫，并具有較高的輸入阻抗。檢波二極管的正向壓降限制了其測量小信號電壓的能力（即靈敏度限制），同時(shí)，檢波二極管的反向擊穿電壓對電壓測量的上限有所限制。為減小高頻信號在傳輸過程中的損失，通常將峰值檢波器直接設(shè)計(jì)在探頭中。放大器采用橋式直流放大器，它具有較高的增益。直流放大器的零點(diǎn)漂移也將影響電壓表的靈敏度。1）檢波-放大式電壓表放大器為提高靈敏度，采用高增益、低漂移的直流放大器，如斬波穩(wěn)零式直流放大器，其靈敏度可達(dá)幾十微伏。 ——稱之為“調(diào)制式電壓表”，如國產(chǎn)HFJ-8型高頻毫伏表，最低量程為3mV，最高工作頻率300MHz。主要指標(biāo)：檢波-放大式電壓表常稱為“高頻毫伏表”或“超高頻毫伏表”。如國產(chǎn)DA36型超高頻毫伏表，頻率范圍為10kHz～1000MHz，電壓范圍（不加分壓器）1mV～10V。國產(chǎn)HFJ-8型高頻毫伏表（調(diào)制式），最低量程為3mV，最高工作頻率300MHz。7．3．3模擬式交流電壓表2）放大-檢波式電壓表組成框圖先放大再檢波，因此靈敏度很高。

均值電壓表常用這種方式。放大器寬帶交流放大器決定了電壓表的頻率范圍。一般上限為10MHz。常稱為“寬頻毫伏表”或“視頻毫伏表”。靈敏度受仍受寬帶交流放大器內(nèi)部噪聲限制。

為了減小直流放大器的零點(diǎn)漂移對測量結(jié)果的影響，可采用調(diào)制式放大器替代一般的直流放大器。這種方式仍屬于檢波-放大式。3)調(diào)制式圖調(diào)制式電壓表框圖4）外差式選頻電平表

原理外差式接收原理。特點(diǎn)大大提高靈敏度（可達(dá)-120dB，相當(dāng)于0.775μV）。 ——常稱為“高頻微伏表”。如DW-1型，頻率范圍為100kHz～300MHz，最小量程15μV。應(yīng)用小信號電壓的測量以及從噪聲中測量有用信號。放大器諧波失真的測量、濾波器衰耗特性測量及通信傳輸系統(tǒng)中。4）外差式選頻電平表組成框圖組成：外差式接收機(jī)＋寬頻電平表。輸入電路：衰減或小增益高頻放大。兩級變頻：輸入fx與第一本振f1（可調(diào)）混頻，經(jīng)帶通濾波器選出fZ1（固定）；4）外差式選頻電平表組成：fZ1再與第二本振輸出f2（固定）混頻，得到固定的第二中頻fZ2（經(jīng)窄帶濾波器選出）。中頻放大器：在窄帶中頻上有很高的增益（從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度）。表頭：dB刻度。外差式選頻電平表通過外差式接收機(jī)擴(kuò)展了頻率范圍，通過窄帶中頻放大實(shí)現(xiàn)高靈敏度。 ——很好地解決了測量靈敏度與頻率范圍的矛盾。5）熱偶變換式利用熱電偶有效值檢波熱電效應(yīng)：兩種不同導(dǎo)體的兩端相互連接在一起，組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)處溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢稱為熱電動(dòng)勢。利用熱電偶有效值檢波熱電效應(yīng)原理圖當(dāng)熱端T和冷端T0存在溫差時(shí)（即T≠T0），則存在熱電動(dòng)勢，且熱電動(dòng)勢的大小與溫差ΔT=T-T0成正比。5）熱偶變換式利用熱電偶有效值檢波熱電偶： 將兩種不同金屬進(jìn)行特別封裝并標(biāo)定后，稱為一對熱電偶（簡稱熱偶）。熱電偶溫度測量原理：若冷端溫度為恒定的參考溫度，則通過熱電動(dòng)勢就可得到熱端（被測溫度點(diǎn)）的溫度。熱電偶有效值檢波原理： 若通過被測交流電壓對熱電偶的熱端進(jìn)行加熱，則熱電動(dòng)勢將反映該交流電壓的有效值，從而實(shí)現(xiàn)了有效值檢波。如下圖。5）熱偶變換式熱電偶有效值檢波原理圖圖中，直流電流I與被測電壓u(t)的有效值V的關(guān)系：電流I∝?zé)犭妱?dòng)勢∝?zé)岫伺c冷端的溫差，而熱端溫度∝u(t)功率∝u(t)的有效值V的平方，故，5）熱偶變換式表頭刻度線性化處理：采用兩對相同的熱電偶，分別稱為測量熱電偶和平衡熱電偶，如下圖。5）熱偶變換式上圖中，通過平衡熱偶形成一個(gè)電壓負(fù)反饋系統(tǒng)。測量熱偶的熱電動(dòng)勢Ex∝V2，令Ex=k1V2； 平衡熱偶的熱電動(dòng)勢Ef